Тема 1.1 кровь как внутренняя среда организма Вопросы к занятию

1. Понятие о внешней и внутренней среде организма. Гомеостаз, параметры гомеостаза и механизмы их регуляции (Клод Бернар).

2. Количество и состав крови. Минеральный состав плазмы, концентрации важнейших ионов, физиологическое значение их постоянства.

3. Осмотическое и коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление крови, физиологическое значение. Единицы и методы измерения. Осмотическая концентрация и осмотическое давление.

4. Постоянство рН крови, физиологическое значение. Буферные системы. Бикарбонатная буферная система - основная буферная система крови. Причины нарушения кислотно-щелочного равновесия. Щелочной резерв крови.

Дополнительно для студентов педиатрического факультета

1. Особенности внутренней среды новорожденных.

2. Условия, сохраняющие постоянство внутренней среды новорожденных.

Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с внешней средой, получая из нее кислород и питательные вещества, и удаляя продукты жизнедеятельности. В процессе эволюции и увеличения размеров тела, клетки живых организмов потеряли связь с внешней средой и контактируют только с внеклеточной жидкостью. Клетки организма человека и животных, выполняющие разнообразные функции, могут оставаться целыми и работоспособными только в том случае, если будут получать из окружающей их жидкости кислород, глюкозу, аминокислоты и другие необходимые вещества, а в эту жидкую среду выводить продукты метаболизма. Таким образом, клетки существуют как бы во «внутреннем море» — во внеклеточной жидкости. Из этой жидкости клетки получают кислород и питательные вещества и отдают в неё отработанные продукты. Так как все клетки и их производные (например, макромолекулы, образующие различные внеклеточные структуры) живут исключительно в одной и той же среде — во внеклеточной жидкости — её с полным основанием называют внутренней средой организма. Термин «внутренняя среда организма» предложен французским физиологом Клодом Бернаром (1813–1878). В это понятие включена совокупность жидкостей – кровь, лимфа, тканевая, спинномозговая жидкость.

Клетки способны жить, расти, развиваться и выполнять свои специализированные функции столь долго, сколь долго будут поддерживаться во внутренней среде организма подходящие концентрации кислорода, глюкозы, различных ионов, аминокислот, жировых веществ, кислотно-щелочное равновесие и так далее. Важнейшее свойство внутренней среды – ее постоянство (гомеостаз), то есть постоянство отдельных параметров внутренней среды (напряжение кислорода и углекислого газа в крови, суммарная осмотическая концентрация, температура концентрация глюкозы, ионов, аминокислот, белков и др.), в противоположность меняющимся параметрам внешней среды. Гомеостаз (греч. homois - подобный, stasis – стоящий) – относительно динамическое постоянство внутренней среды и устойчивость физиологических функций организма. «Постоянство внутренней среды – условие свободной жизни», - так сформулировал это положение Клод Бернар. Постоянство каждого из параметров внутренней среды обеспечивается специализированной регуляторной системой.

Кровь относится к жидкостям внутренней среды организма, точнее — к внеклеточной жидкости, циркулирующей в сосудистой системе.

Основной составной частью жидкости является вода. В организме взрослого человека вода составляет 75%, новорожденного – 90%. Для человека массой тела 70 кг - это около 50 литров.

Все водное пространство организма принято делить на два основных сектора (рис. 1)

• внеклеточный, на долю которого приходится 20% от массы тела;

• внутриклеточный — 40% от массы тела.

Внеклеточный сектор неоднороден, поэтому дополнительно в нем выделяется:

• внутрисосудистая вода, составляющая 7% от массы тела (кровь, лимфа);

• межклеточная вода — 20%.

Рис. 1. Вода в организме человека

• Между кровью и тканевой жидкостью происходит постоянный обмен веществ и транспорт воды, несущей растворенные в ней продукты обмена, гормоны, газы, биологически активные вещества. Следовательно, внутренняя среда организма представляет собой единую систему гуморального транспорта, включающую кровообращение и движение жидкости в последовательной цепи: кровь → тканевая жидкость → ткань (клетка) → тканевая жидкость → лимфа → кровь.

• При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление). Потеря 10 % воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20 % воды наступает смерть. При недостатке воды в организме возникает перемещение жидкости из клеток в межклеточное пространство, а затем в сосудистое русло. При патологии вода аккумулируется в полостях тела: асцит, плеврит, перикардит и.т.д.

• Человек в течение суток принимает около 2 - 2,5 л воды (включая и воду, содержащуюся в пищевых продуктах).

• Из организма человека и животных выделяется всегда несколько больше воды, чем поступает в него (на 200-300 мл/сут). Это связано с образованием в нем эндогенной воды как продукта окисления органических веществ.

• Эндогенные механизмы образования воды: 1 г. белка – 0,4 мл воды, 1 г. углеводов - 0,6 мл воды, 1 г. жира – 1 мл воды.

Система крови

Понятие о системе крови введено в 1939 году отечественным клиницистом Г. Ф. Лангом (1875-1948). Согласно Лангу, в систему крови входят:

• периферическая кровь, циркулирующая по сосудам;

• органы кроветворения — красный костный мозг, лимфатические узлы, селезенка;

• органы кроверазрушения — селезенка, печень, красный костный мозг;

• регулирующий нейрогуморальный аппарат.

Деятельность всех компонентов системы обеспечивает выполнение основных функций крови.

Основными функциями крови являются: транспортная, защитная, гуморальная регуляция.

Транспортная функция. Кровь осуществляет перенос кислорода и углекислого газа (дыхательная функция), доставку к тканям питательных веществ и удаляемых из организма веществ к органам выделения.

Защитная функция обеспечивается наличием в крови иммунокомпетентных клеток.

Регуляторная функция. Участие в осуществлении гуморальной регуляции, благодаря транспорту гуморальных регуляторов – гормонов, биологически активных веществ, транспортируемых кровью к клеткам организма.

Основные параметры крови

Кровь представляет собой непрозрачную красную жидкость, которая постоянно движется по кровеносным сосудам. Она состоит из жидкой части – плазмы и форменных элементов – эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов. У взрослого человека форменные элементы крови составляют 40 – 48 %, а плазма – 52 – 60 %. Соотношение форменных элементов и плазмы крови называется гематокритным числом, или гематокритом (Ht). В современных анализах крови он обозначается как PCV (packed cell volume). Для характеристики гематокрита указывается лишь объём плотной части крови. В норме гематокрит мужчины равен 0,41—0,53, а женщины — 0,36—0,46. У новорождённых гематокрит примерно на 20% выше, а у маленьких детей — примерно на 10% ниже, чем у взрослого. Определение гематокрита проводится с помощью метода, предложенного M. A. Wintrobe в 1929 году. Согласно ему, специальную стеклянную градуированную трубочку заполняют кровью и центрифугируют с заданным числом оборотов центрифуги за заданное время.

При некоторых заболеваниях гематокрит может изменяться.

Изменение показателей гематокрита и возможные причины

Повышение	Понижение
Ожоги Врождённые пороки сердца Хронические заболевания лёгких Дегидратация Эритроцитозы Истинная полицитемия Поликистоз почек и др.	Анемия Хронические инфекции Подавление деятельности костного мозга Лейкоз Лимфома Множественная миелома Разбавление крови (гемодилюция) Беременность и др.

Показатель гематокрита возрастает при нахождении человека в условиях высокогорья, когда за счет увеличения в крови эритроцитов, вызванного активацией синтеза эритропоэтина, повышается кислородная емкость крови.

Кровяная сыворотка – это надосадочная жидкость, образующаяся после центрифугирования свернувшейся крови. Надосадочная жидкость после центрифугирования цельной крови с добавленными к ней антикоагулянтами (цитратная кровь, гепаринизированная кровь) — плазма крови. В отличие от плазмы в сыворотке нет ряда плазменных факторов свёртывания крови (I — фибриноген, II — протромбин, V — проакцелерин и VIII — антигемофильный фактор А). Плазма — жидкость бледно-янтарного цвета, содержащая белки, углеводы, липиды, липопротеины, электролиты, гормоны и другие химические соединения. Объём плазмы — около 5% массы тела (при массе 70 кг — 3500 мл) и 7,5% всей воды организма. Плазма крови состоит из воды (90%) и растворённых в ней веществ (10%, органические — 9%, неорганические — 1%; в твёрдом остатке на долю белков приходится примерно 2/3, а 1/3 — низкомолекулярные вещества и электролиты). Химический состав плазмы сходен с интерстициальной жидкостью (преобладающий катион — Na⁺, преобладающие анионы — Cl^–, HCO₃^–), но концентрация белка в плазме выше (70 г/л).

Рассмотрим основные количественные показатели, характеризующие кровь.

1. Объем крови – 5 - 6 л или 6 - 8% от массы тела.

2. Относительная плотность крови – 1,052 – 1,062, в том числе: плазмы – 1,029 – 1,032, эритроцитов – 1,09. Удельная плотность крови зависит от содержания эритроцитов, а в плазме – от концентрации белков.

3. Вязкость крови в 5 раз выше воды, и составляет 5 у.е. Она зависит, главным образом, от содержания эритроцитов. Вязкость плазмы не превышает 1,8-2,2. Она определяется наличием белков и, прежде всего, фибриногена. Увеличение вязкости крови является неблагоприятным прогностическим фактором для людей, страдающих от атеросклероза и предрасположенных к сердечнососудистым заболеваниям.

4. Гематокритное число – соотношение форменных элементов и плазмы крови (см. выше).

5. Белковый состав крови:

Общее количество белка крови 60 - 80 г/л. Различают несколько белковых фракций, выполняющих специфические функции.

• Альбумины (40-60 г/л) обладают высокой коллоидно-осмотической активностью.

• Глобулины , ,  (20 - 40 г/л) выполняют транспортную функцию для переноса ионов, гормонов, липидов, участвуют в осуществлении гуморального иммунитета (иммуноглобулины - IgM, IgG и т.д.).

• Фибриноген (2 - 4 г/л)  главный фактор механизма свёртывания крови.

Основные белки плазмы крови и их функции

Название белка	Главные функции
Альбумин	Связывающий и транспортный белок (гормоны, аминокислоты, стероиды, витамины, жирные кислоты); образование онкотического давления.
α1 - глобулины α1 - антитрипсин	Ингибитор трипсина и других протеаз
α1 – липопротеин (ЛПВП)	Транспорт липидов
Протромбин	Участие в свёртывании крови
α2 - глобулины Плазминоген	Участие в системе фибринолиза
α2 – гаптоглобин	Связывание и транспорт свободного гемоглобина плазмы
α2 – антитромбин III	Важный эндогенный антикоагулянт
β – глобулины β – липопротеин (ЛПНП)	Транспорт липидов (холестерин)
Апотрансферрин	Транспорт железа в плазме крови
Фибриноген	Участие в свёртывании крови
γ – глобулины	Иммуноглобулины (IgA, IgD, IgG, IgM, IgE)

6. Ионный состав плазмы или сыворотки

Катионы (ммоль/л) - Na⁺ 132 - 145

K⁺ 3,5 - 5,5

Ca²⁺ 2,3 - 2,57

Анионы (ммоль/л) Cl^- 100 - 105

HCO₃^- 23 - 33

фосфаты 0,8 – 1,2

Бикарбонаты – 24 ммоль/л при соотношении бикарбонат/угольная кислота – 18:1; фосфаты – 1 ммоль/л при соотношении двузамещенный и однозамещенный фосфат натрия 4:1.

Согласно правилу Гембла, плазма крови должна быть электронейтральна, т.е. сумма катионов равна сумме анионов.

Ионный состав крови является важнейшим показателем гомеостаза организма. Отклонение от указанных значений приводит к развитию патологических явлений, т.к. ионы обеспечивают нормальную функцию всех клеток организма, в том числе клеток возбудимых тканей, а также обеспечивают необходимое организму осмотическое давление, концентрацию в крови и тканях водородных ионов (рН). Регуляция ионного состава осуществляется с участием различных механизмов – нервных и гормональных в процессе функционирования почек, легких, желудочно-кишечного тракта, потовых желез, что подробно освещается в соответствующих разделах курса физиологии.

Осмотическое давление плазмы

Осмотическим давлением называется сила, которая заставляет переходить растворитель (для крови - вода) через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в более концентрированный раствор. Осмотическое давление определяет транспорт воды из внеклеточной среды организма в клетки и наоборот. Оно обусловлено растворимыми в жидкой части крови осмотически активными веществами, к которым относятся ионы, белки, глюкоза, мочевина и др.

Осмотическое давление определяется криоскопическим методом, с помощью определения точки замерзания крови. Выражается оно в атмосферах (атм.) и миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Рассчитано, что осмотическое давление крови при температуре 37°С равно 7,6 атм. или 7,6 х 760 = 5776 мм рт. ст.

Для характеристики плазмы как внутренней среды организма особое значение имеет суммарная концентрация всех ионов и молекул, содержащихся в ней, или ее осмотическая концентрация. Физиологическое значение постоянства осмотической концентрации внутренней среды заключается в поддержании целостности мембраны клеток и обеспечении транспорта воды и растворенных веществ.

Осмотическая концентрация в современной биологии измеряется в осмолях (осм) или миллиосмолях (мосм) – тысячная доля осмоля.

Осмоль  концентрация одного моля неэлектролита (например, глюкозы, мочевины и др.), растворенного в литре воды.

Осмотическая концентрация неэлектролита меньше осмотической концентрации электролита, так как молекулы электролита диссоциируют на ионы, вследствие чего возрастает концентрация кинетически активных частиц, которыми и определяется величина осмотической концентрации.

Осмотическое давление, которое может развить раствор, содержащий 1 осмоль равно 22,4 атм. Поэтому осмотическое давление может быть выражено в атмосферах или миллиметрах ртутного столба.

Осмотическая концентрация плазмы (суммарная осмолярность) равна 285 – 310 мосм/л (в среднем 300 мосм/л или 0,3 осм/л), это один из самых жестких параметров внутренней среды, его постоянство поддерживается системой осморегуляции с участием гормонов и изменением поведения – возникновение чувства жажды и поиск воды.

Часть общего осмотического давления, обусловленная белками, называется коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением плазмы крови. Онкотическое давление равно 25 - 30 мм рт. ст. Основная физиологическая роль онкотического давления заключается в удержании воды во внутренней среде.

Увеличение осмотической концентрации внутренней среды приводит к переходу воды из клеток в межклеточную жидкость и кровь, клетки сморщиваются и их функции нарушаются. Уменьшение осмотической концентрации приводит к тому, что вода переходит в клетки, клетки набухают, их мембрана разрушается. Разрушение вследствие набухания клеток крови называется гемолиз. Гемолиз  разрушение оболочки самых многочисленных клеток крови - эритроцитов с выходом гемоглобина в плазму, которая окрашивается при этом в красный цвет и становится прозрачной (лаковая кровь). Гемолиз может быть вызван не только уменьшением осмотической концентрации крови. Различают следующие виды гемолиза:

1. Осмотический гемолиз  развивается при уменьшении осмотического давления. Происходит набухание, затем разрушение эритроцитов.

2. Химический гемолиз  происходит под влиянием веществ, разрушающих белково-липидную оболочку эритроцитов (эфир, хлороформ, алкоголь, бензол, желчные кислоты, сапонин и др.).

3. Механический гемолиз  возникает при сильных механических воздействиях на кровь, например, сильном встряхивании ампулы с кровью.

4. Термический гемолиз  обусловлен замораживанием и размораживанием крови.

5. Биологический гемолиз  развивается при переливании несовместимой крови, при укусах некоторых змей, под влиянием иммунных гемолизинов и т.д.

В этом разделе остановимся подробнее на механизме осмотического гемолиза. Для этого уточним такие понятия как изотонические, гипотонические и гипертонические растворы. Изотонические растворы имеют суммарную концентрацию ионов, не превышающую 285—310 мосм/л. Это может быть 0,85% раствор хлористого натрия (его часто называют «физиологическим» раствором, хотя это не полностью отражает ситуацию), 1,1% раствор хлористого калия, 1,3% раствор бикарбоната натрия, 5,5% раствор глюкозы и т.д. Гипотонические растворы имеют меньшую концентрацию ионов — менее 285 мосм/л. Гипертонические, наоборот, большую — выше 310 мосм/л. Эритроциты, как известно, в изотоническом растворе не изменяют свой объем. В гипертоническом растворе — уменьшают его, а гипотоническом — увеличивают свой объем пропорционально степени гипотонии, вплоть до разрыва эритроцита (гемолиза) (рис. 2).

Рис. 2. Состояние эритроцитов в раствореNaCl различной концентрации: в гипотоническом растворе  осмотический гемолиз, в гипертоническом плазмолиз.

Явление осмотического гемолиза эритроцитов используется в клинической и научной практике с целью определения качественных характеристик эритроцитов (метод определения осмотической резистентности эритроцитов), устойчивости их мембран к разрушению в гипотоническом растворе.

Осмотическая резистентность снижается при наследственном сфероцитозе (болезнь Минковского-Шоффара), при котором вследствие дефекта белков цитоскелета эритроцита, его форма приближается к шарообразной, а устойчивость мембраны снижается, что приводит к клиническим проявлениям гемолитической анемии. К снижению осмотической резистентности также ведёт дефицит цинка, хроническая почечная недостаточность, отравление различными лекарствами (например, парацетамолом) и токсинами (свинец).

Онкотическое давление

Часть общего осмотического давления, обусловленная белками, называется коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением плазмы крови. Онкотическое давление равно 25 - 30 мм рт. ст. Это составляет 2 % от общего осмотического давления.

Онкотическое давление в большей степени зависит от альбуминов (80 % онкотического давления создают альбумины), что связано с их относительно малой молекулярной массой и большим количеством молекул в плазме.

Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена. Чем больше его величина, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше ее переходит в ткани и наоборот. При снижении концентрации белка в плазме крови (гипопротеинемия) вода перестает удерживаться в сосудистом русле и переходит в ткани, развиваются отеки. Причиной гипопротеинемии может быть потеря белка с мочой при поражении почек или недостаточный синтез белка в печени при её повреждении.

Регуляция рН крови

рН (водородный показатель) – это концентрация водородных ионов, выраженная отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов водорода. Например, рН=1 означает, что концентрация равна 10^-1 моль/л; рН=7 - концентрация составляет 10^-7 моль/л, или 100 нмоль/л. Концентрация водородных ионов существенно влияет на ферментативную деятельность, на физико-химические свойства биомолекул и надмолекулярных структур. В норме рН крови соответствует 7,36 (в артериальной крови — 7,4; в венозной крови — 7,34). Крайние пределы колебаний рН крови, совместимые с жизнью, — 7,0—7,7, или от 16 до 100 нмоль/л.

В процессе обмена веществ в организме образуется огромное количество «кислых продуктов», что должно приводить к сдвигу рН в кислую сторону. В меньшей степени в организме накапливаются в процессе метаболизма щелочи, которые могут снизить содержание водорода и сместить рН среды в щелочную сторону — алкалоз. Однако реакция крови при этих условиях практически не изменяется, что объясняется наличием буферных систем крови и нервно-рефлекторных механизмов регуляции.